Динамический метод определения места негерметичности участка трубопроводной системы

Существующие методы и технические средства определения места негерметичности трубопровода созданы, в основном, для магистральных трубопроводов и неприменимы для промысловых и газораспределительных сетей из-за их высокой стоимости, разветвленной структуры промысловых и газораспределительных трубопроводов; низкой помехозащищенности, а также из-за наличия сильных помехосоздающих полей (электромагнитных акустических, вибрационных и т.п.), создаваемых работающим оборудованием, инфраструктурой промыслов и населённых пунктов.

Проведенныи анализ показывает, что на данный момент отсутствуют достаточно точные методы и технические средства определения мест закупорок и негерметичности магистральных трубопроводов, а также трубопроводов промысловых и газорас­пределительных систем.

Их разработка и внедрение позволят значительно упростить и повысить точность определения мест негерметичности, что, в свою очередь, ускорит и повысит эффективность проведения аварийно-восстановительных работ.

В настоящее время момент и место повреждения трубопрово­дов определяют, в основном, методом отрицательной ударной волны, принцип которого сводится к определению неизвестной величины скорости прохождения сигнала возмущения в перека­чиваемой среде (звукового, импульса отрицательного давления), зависящей от многих факторов, в частности, от температуры перекачиваемого продукта и известной разности времени прихо­да этого сигнала в конечные точки контролируемого участка трубопровода. Скорость прохождения сигнала определяют или при помощи дополнительных датчиков повреждения, устанавли­ваемых как в конечных точках участка, так и в точках, отстоя­щих от концов трубопровода на определенных расстояниях, или при помощи реперов, находящихся в данный момент в трубо­проводе в виде скребков или диагностических снарядов. Причем расстояния установки второй пары датчиков от концов трубо­провода необязательно должны быть равны друг другу. Главное, чтобы была известна координата установки датчиков на трубо­проводе.

Трубопроводы, особенно магистральные, имеют большую протяженность и пересекают многочисленные овраги и водные преграды, которые иногда бывают достаточно протяженными и из-за которых происходит значительное изменение температуры перекачиваемой среды. Имеются также участки открытой про­кладки трубопроводов. В стесненных условиях населенных пунктов распределительные газопроводы, например, пролегают к подземно, так и надземно, прокладываются в нормативной близости от теплотрасс, а также зачастую пересекают их.

Температура перекачиваемого продукта во всех этих местах отличается от температуры перед и за преградами (мест со значительными изменениями температуры), это оказывает влияние на скорость прохождения сигнала отрицательной волны давления и, в конечном итоге, на точность определения момента и места повреждения трубопровода.

При прохождении трубопровода через места значительно го изменения температуры транспортируемый продукт меняет свою температуру Т, в результате чего меняется и скорость v прохождения волн возмущения, определяемая из выраже­ния

где γ - отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении С_р и постоянном объеме Cv, γ = С_р/C_v; R - газовая постоянная; М - молярная масса газа.

Известно также, что скорость прохождения звуковой вол­ны v₁ как в жидкости, так и в газе зависит от температуры среды

v₁ = v + αΔt,

где Δt - отклонение температуры среды от начальной Т, град; α - температурный коэффициент, м/с·град.

Датчики устанавливаются на концах контролируемого участ­ка трубопровода. Кроме того, предлагается устанавливать дат­чики до и после мест значительных изменений температуры, что позволит, зная координаты установки датчиков по трассе трубо­провода и вводя соответствующие поправки, существенно повы­сить точность определения места повреждения трубопровода.

При порыве трубопровода возникает волна возмущения, ко­торая распространяется в обе стороны от места порыва с неиз­вестной скоростью к датчикам повреждения трубопроводов, в качестве которых используют датчики давления. Поступающие в микроконтроллер сигналы от датчиков обрабатываются, и информационный сигнал по технологической линии связи по­ступает на диспетчерский пункт, где происходят окончательная обработка информации и выдача результата о месте повреж­дения.

По разности прихода и фиксирования сигналов на контроли­руемые пункты (КП) системы телемеханики вычисляется ско­рость v прохождения сигнала по трубопроводу, которая даже в идеальном случае (при отсутствии рек, морей, океанов, откры­той прокладки трубопроводов, параллельно проложенных теп­лотрасс) отличается по величине в начале и конце трубопровода хотя бы из-за изменения по трассе трубопровода температуры, давления перекачиваемого продукта:

V = l/t,

где l - фиксированное расстояние между датчиками на КП1- КП2, КПЗ-КП4, м; t - разница времени прихода сигна­лов, с.

Далее определяется средняя скорость прохождения сиг­нала на контролируемом отрезке трубопровода, которая вво­дится в выражение определения места повреждения трубопро­вода:

L_п = (L - v·t)/2,

где L_п - расстояние до места повреждения трубопровода длиной L, м; t - разница времени прихода сигнала в конечные точки трубопровода, с.

Для пояснения реализации предлагаемого способа на рисунке ниже изображены графики изменения скорости, например, в зимний период в трубопроводе, проложенном в условиях Крайнего Се­вера при пересечении непромерзающей до дна реки. В связи с тем, что температура дна реки не будет ниже точки кристалли­зации воды, температура перекачиваемого продукта при пересе­чении реки будет повышаться.

На рисунке ниже с целью необходимости укрупненно показать из­менение температуры в месте прохождения трубопровода через участок со значительным изменением температуры, в местах CD и EF, произведен разрыв линии изменения температуры и оси абсцисс (протяженности трубопровода).

График изменения скорости прохождения сигнала возмущения при повреждении трубопровода

Линия 1 - кривая изменения скорости прохождения сигна­ла по прототипу с учетом участка значительного изменения температуры, т.е. при нахождении скорости сигнала при фиксировании прихода сигнала в точках КП1, КП2, КПЗ, КП4.

Эта линия при удалении от места со значительным изменением температуры будет все больше приближаться к линии изменения температуры по предлагаемому способу и, наконец сольется с ней с учетом погрешности измерительных приборов.

Линия 2 - кривая изменения средней скорости прохождения сигнала участка КПпр1 - КПпр2 при установке датчика не в точках КП2 и КПЗ, а в предлагаемых точках КПпр1 и КПпр2 соответственно. Установка датчика в КПпр1 необходима в том случае, когда в магистральных трубопроводах, распределитель­ных газопроводах населенных пунктов осуществляется перекач­ка продукта в обоих направлениях. В этом случае график будет изображен в зеркальном отражении.

Линия 3 отображает фактическое изменение скорости про­хождения сигнала при пересечении трубопроводом участка трас­сы со значительным изменением температуры. Изменение ско­рости происходит с запаздыванием, зависящим от многих фак­торов. На конце этого участка предлагается установить дат­чик прихода волн возмущения. Средняя скорость на участке КПпр2-КП4 в этом случае будет определена с учетом времени прихода сигнала о повреждении трубопровода в точки КПпр2 и КП4 и расстояния между ними.

Допустим, на трубопроводе АВ произошел порыв в точке П. Определяется средняя скорость на участках КП1-КПпр1, КПпр1-КПпр2 и КПпр2-КП4, затем определяется средняя ско­рость на контролируемом участке трубопровода, далее опреде­ляется место порыва (точка П). Средние температуры на участ­ках КПЗ-КП4 и КПпр2-КП4 отличаются друг от друга, что и является причиной возникновения ошибки в определении места повреждения трубопровода. Так как кривая изменения скорости прохождения сигнала довольно пологая, то незначительная ошибка в определении скорости прохождения сигнала приве­дет к значительной ошибке (П1-П) в определении места поры­ва. Ошибка будет тем больше, чем больше разница температур перекачиваемого продукта, грунта, дна препятствия (реки) и т.п.

С учетом сказанного, конструкция подводного перехода должна предусматривать повышенную надежность и обязательный контроль за герметичностью перехода.

Другими словами, необходимо предусматривать установку датчиков повреждения на потоке на границах температурной неоднородности, какими, в частности, являются подводные переходы, на основании чего предлагается внести дополнение в РД 51-2-95 «Регламент выполнения экологических требований при размещении, проектировании, строительстве и эксплуатации подводных переходов магистральных газопроводов». В качестве датчиков необходимо применить дифференциальный датчик давления.